Экспериментальные изотермы реального газа. Кривая фазового перехода

Английский физик Т. Эндрюс эксперименгально исследовал зависимость молярного объема углекислого газ от давления при изотермическом сжатии (1866 г.). Результаты этих опытов в виде зависимостей в координатах давление - молярный объем (p-V _μ) показаны на рис. 17.2 (Т₁ <Т< Т₂ <T_к <T₃< Т₄).

Рис.17.2

1. При температурахниже Т _к = 340 К, на каждой изотерме наблюдается горизонтальный участок ВС, вдоль которого постоянным оказывается давление р=р_B, а молярный объем может принимать любые значения от V_b до V_c.

2.Разность (V_c – V_b) объемов в конечных точках горизонталь­ных участков изотерм возра­стает с понижением темпера­туры Т. Видно, что эта разность объемов стремится к нулю по мере приближения к температуре Т_к, которую называют критической температурой.

3. На изотерме при температуре Т = Т_к (критическая изотерма), точки В и С сливаются в одну точку К, называемую критической точкой. Соответствующие ей значения давления р _к и молярного объема V_K называют критическими.

4. На участке ТС углекислота находится в газообразном состоянии, а на участке ВА - в жидком. На участке СВ углекислота одновременно находится в двух агрегатных состояниях - жидком и газообразном. Точка С соответствует началу конденсации СО₂ при изотермическом сжатии, а точка В - концу конденсации.

Наоборот, при изотермическом расши­рении жидкой углекислоты точка В соответствует началу кипения, а точка С - его концу. Следовательно, точка В соответствует состоя­нию кипящей жидкости, а точка С - состоянию так называемого су­хого насыщенного пара.

В произвольном состоянии М области ВС СО₂ представляет собой смесь кипящей жидкости и сухого насыщенного пара. Такую смесь называют влажным паром.

5. Точки «излома» на изотерме определяют набор критических значений тавления.

При давлениях, больших критического, область двух­фазного состояния отсутствует. При таких давлениях вещество находится либо в жидком, либо в газо­образном состоянии. Границей между ними служит критическая изо­терма. Следовательно, газ, температура которого выше критической, нельзя перевести в жидкое состояние путем изотермического сжатия.

Поэтому были неудачными первые попытки сжижения газов, критические температуры которых очень низкие: гелия (T _к = 5 К, водорода (T _к = 33 K), неона (T _к = 44,3K) газов. Причина этого заключается в том, что не были известны их критические температуры, эти газы пытались перевести в жидкое состояние, изотермически сжимая при T > T _к.